甚长基线干涉测量技术在深空导航中的应用[转]
                                                                             蒋栋荣　洪晓瑜
甚长基线干涉测量技术（Very Long Baseline Inteferometry，VLBI）就是将几台分布在不同地点的射电望远镜联网同时工作，通过无线电波干涉的方法，综合成一个巨大口径的望远镜，以提高天文观测的角分辨率和测量精度。在我国首次月球探测工程中，中国科学院的VLBI天文测量系统作为测控系统的VLBI测轨分系统，提供了嫦娥一号卫星的精密角位置信息，与我国航天测控网一起圆满完成了嫦娥一号工程中的测轨任务。

   VLBI由来和简介

　　随着科学技术的发展，现代天文学的观测研究已经遍及整个电磁波谱，射电天文学是在无线电波段利用射电望远镜观测和研究天体的一门学科，而利用射电望远镜观测的对象几乎遍及所有天体。

　　天文观测设备的重要技术指标是灵敏度和角分辨率，单孔径天文望远镜的角分辨率近似为无线电波的波长除以望远镜天线的直径，波长除以直径的值越小，角分辨率越高，可以更好地分辨研究对象的细节。由于无线电波的波长远大于可见光的波长，因此单口径的射电望远镜的角分辨率要远低于相同口径的光学望远镜，正是由于无线电的波长比较长，天线面的加工精度比光学望远镜镜面的加工精度要低得多，所以通常单孔径的射电望远镜的口径比光学望远镜的口径大得多。但由于技术原因，射电望远镜的口径不能无限增大，目前世界上最大的可转动射电望远镜的口径为100米左右，如德国的射电望远镜和美国的绿岸射电望远镜（Green bank Telescope ，简称GBT）。固定在地面上不能转动的射电望远镜可以增大口径，如美国在波多黎各阿雷西博的305米口径射电望远镜。我国已立项将在贵州省建造500米口径的改进型巨型射电望远镜。

　　为了进一步提高射电天文观测的角分辨率，天文学家发展了综合孔径射电天文望远镜（多个射电望远镜的连线干涉仪）。世界上最著名的综合孔径望远镜是美国的甚大阵（Very Large Array ，简称VLA），由27面口径为25米的射电望远镜组成，这27面天线分布在Y型的三个臂上，可以移动组成各种不同组合的观测，两个望远镜之间最远的距离约36公里。

　　1960年代开始，借助于原子时间频率标准的发展和高密度数据记录介质的发展，甚长基线干涉测量设备应运而生，VLBI网中的每个射电望远镜采用氢原子钟作为独立本地振荡器，这样，望远镜之间不需要任何物理上的连接，地球上任何地方的望远镜，只要能同时观测到要研究的天体就可以一起联网工作，各个观测台站将数据记录在磁带上，事后再进行处理。

　　1980年代以来，欧洲VLBI网 （EVN，由分布在欧洲的若干射电望远镜，中国上海天文台的25米口径射电望远镜和国家天文台乌鲁木齐天文站的25米口径射电望远镜及南非的一个射电望远镜组成），美国的VLBA阵（由分布在美国的十个25米口径的射电望远镜组成，最远的一个望远镜在夏威夷），空间VLBI（地面上的VLBI观测站加上一个日本的空间射电望远镜VSOP）相继投入使用，大大提高了射电天文观测的角分辨率，为天文学研究做出了重要贡献。

　　射电天文干涉测量的设备通常由几个到几十个单孔径射电望远镜组成，综合孔径射电望远镜中射电望远镜之间的最远距离通常在几十公里以内，而VLBI阵中的射电望远镜之间的距离原则上不受限制，可以达几千公里以上，甚至可以使用包括空间射电望远镜组成空间VLBI网进行观测。

　　射电干涉测量设备中每两个射电望远镜组成一条基线，如果一个射电干涉测量阵有n个天线组成，则共有 n（n-1）/2条基线。射电干涉测量的角分辨率近似为波长除以最长基线的长度，即波长越短，角分辨率越高，基线越长，角分辨率越高。由于基线的长度可以远远大于望远镜的口径，所以射电干涉阵的角分辨率大大高于单孔径射电望远镜，国际VLBI网的角分辨率可以好于毫角秒（千分之一角秒）。

　　由于VLBI观测记录的数据量非常大，通常VLBI各个观测站的数据是记录在高密度磁带或计算机硬盘上的，观测完成后这些数据将寄往VLBI阵的数据处理中心进行相关处理，经相关处理后的数据再分别寄送到申请观测的研究者手中，进行下一步的处理和研究。随着网络技术的发展，实时或准实时的VLBI观测已经成为可能，即VLBI阵中各个观测站直接将观测数据经高速网络传送到相关处理中心进行实时相关处理，大大提高了VLBI测量的时效性，这种技术称为eVLBI。

VLBI的基本原理

　　宇宙中的射电源（类星体，射电星系等）辐射的无线电波，通过地球大气到达地面上的不同射电望远镜处，VLBI观测站用电子设备记录接收到的信号。

　　因为辐射无线电波的天体到达不同地点射电望远镜的距离是不同的，所以在同一时刻不同地点的射电望远镜接收到的无线电波的信号不是辐射天体相同时刻发出的。又因为作为本地振荡器的氢原子钟有很高的相位稳定度，所以各个观测站记录的信号可以很好地保留无线电波的相位信息。

　　无线电波的相干原理揭示，仅相同波前的无线电信号是相干的，所以VLBI阵中各个观测站记录的数据需要利用相关处理机进行互相关处理。相关处理的目的是找到无线电波到达组成每条基线的两个射电望远镜的几何程差（几何程差除以光速就是到达两个望远镜的时间差，称为VLBI时延），并对时延进行补偿后（即对相同的波前）进行互相关处理得到干涉条纹。

　　由于地球自转，无线电波到达每条基线两端的天线的时延是不断变化的，所以相关处理机必须不断地精确跟踪时延的变化，才能始终保持干涉条纹。由于相关处理机在处理过程中对时延和时延率的补偿还不够精确，通常需要复杂的软件对互相关处理后的数据进行更精确处理，才能最终得到VLBI观测的产品。

　　VLBI观测最终得到的数据包括：天体辐射的干涉条纹的相关幅度和相位，称为天体辐射的可见度函数；各条基线的时延及时延率（时延随时间的变化）。

　　VLBI时延测量的精度主要取决于信噪比（信号与噪声的强度比）及观测频率的宽度。信噪比越高，时延测量的精度越高；观测的信号的带宽越宽，时延测量的精度也越高。当然，实际测量得到的时延中还包括了传播介质（地球大气对流层，电离层）、观测设备和观测台站钟同步误差的影响，需要对这些误差进行校正。由于河外星系射电源的微波辐射信号一般非常微弱，因而需要大口径天线，低噪声接收机和宽带记录装置。

　　时延和时延率提供了有关基线的长度和方向及射电源角位置（赤经和赤纬）的信息，测地学家和天体测量学家利用对多个射电源进行长时间的观测，经过复杂的解算，可以得到射电源的精确角位置和VLBI阵中每条基线的长度和方向，不同时间的多次观测可以测量每条基线的长度的变化及变化的方向。由于VLBI具有很高的测量精度，用这种方法进行河外射电源的精确定位，测量数千公里基线的距离和方向的变化，对建立以河外射电源为基准的惯性参考系，对地球的板块运动和地壳变形，以及地球自转规律的研究具有重要的意义。

　　随着地球自转，VLBI阵中每一条基线向量在波前平面上的投影通常会扫描出一个椭圆来，这样在一天内对某个射电源进行跟踪观测，就可以获得不同方向的超高角分辨率的天体辐射的可见度函数。天体物理学家可以利用专门的软件，对可见度函数通过二维的傅立叶变换等方法对天体的辐射进行高精度的成图，得到射电源亮度分布的结构图，由于VLBI可以具有千分之几到万分之几角秒的超高角分辨率，这些射电源精细结构的资料对活动星系核的射电喷流，中央能源及宇宙脉泽等研究有着重要价值。射电源成图的灵敏度依赖于VLBI阵天线的分布和数量，也依赖于观测的带宽。观测带宽越宽，成图的灵敏度越高。 　　

　　VLBI的高测量精度,使得它也可应用于航天器的精确定位和定轨。

VLBI在航天器精确定位和定轨中的应用

　　为了对航天器，如探月卫星、行星探测器等，进行遥控遥测，以及探测数据的传输等方面的需要，航天器与地面观测台站需要进行无线电通信。从地球到航天器和从航天器到地球的通信工作，国际上分配的频段为S（波长13厘米），X（波长3.6厘米）和Ka (波长1厘米)频段中一定的频率范围。

　　航天器的距离是通过地面站产生的测距信号的往返传输时间获得的。由测站的频率标准产生一系列正弦单音组成的测距信号调相在发射的载波信号上，航天器接收上行的载波，再产生下行信号，并将测距信号调相在下行信号上。地面站测量信号来回的时间就可以得到航天器的距离信息。此外由于多普勒效应，信号的频率将发生变化，测量信号频率的变化量可以得到航天器运动速度的信息。经过一定的观测弧段跟踪测量，可以确定航天器的轨道。

　　一个空间目标的位置通常可以用一个距离及二维角度精确确定，上述测距和多普勒测速的测量体制可以得到航天器的精确距离和运动速度，但是角位置测量的精度相对较低。VLBI观测则可以提供航天器精确角位置的信息。可预期这两种测量体制的结合将得到更高精度的定位和定轨结果。

　　在用VLBI进行航天器跟踪测量中，时延和时延率测量值中包含了未被校正的误差（测站钟同步误差，测量设备的时延误差，传播介质误差），为了提高VLBI的测量准确度，可以通过观测河外射电源来校正测站钟的同步误差及测量设备的时延误差。如果河外射电源的角位置与航天器的角位置足够近，还可以大大减小由于传输介质、观测台站位置的误差及地球定向的误差的影响，这种测量方法称为较差VLBI。当河外射电源与航天器的角距离小于几度时，还可以利用相位参考技术进一步提高测量精度。

　　VLBI跟踪测量航天器的另一个优点是不需要发射上行信号，直接观测航天器的下行信号，如航天器的遥控遥测信号就可以完成测量。通常航天器的测控信号带宽相对较窄，而VLBI的测量精度依赖于测量信号的带宽，带宽越宽，测量精度越高，为了进一步提高VLBI测量的精度，可以专门设计宽带宽的多个单音信号，有了在频带上合理分布的多通道的多个测量值，再利用带宽综合处理的方法确定时延测量中的模糊度，可以提高VLBI时延的测量精度。

　　从航天器VLBI测量获得的无模糊度时延称为差分单向测距（DOR），用于测量的航天器频谱内的单音称为DOR单音。航天器与河外射电源之间的差分时延为ΔDOR，通过ΔDOR值可以获得在河外射电源坐标系内高精度航天器角位置测量值。国外的研究表明，ΔDOR加上测距数据可以降低轨道对某些系统误差的敏感度，通常仅在行星探测器入轨等特殊任务中使用VLBI的ΔDOR观测。

　　为了满足航天器的精确定位及高精度深空导航的需要，从1970年代起，美国宇航局就开始发展将VLBI应用于行星探测器的跟踪定位和定轨的技术及方法，目前VLBI已经成为美国深空跟踪网的重要测量手段之一。

　　VLBI增强了旅行者号、麦哲伦号和尤利西斯号航天器巡航阶段的导航能力，并对美国的火星探测器进行了入轨观测，提高了入轨的精度。

　　VLBI应用于深空探测的其他事例有：1985年全球多个VLBI站参加了对前苏联VEGA宇宙飞船向金星投放的探测气球的飞行路线测量，通过对于气球飞行路线和VEGA飞船轨道的精确测定，测量了金星大气层不同高度的风速，具有重要的科学意义。2005年1月14日，土星探测器卡西尼轨道器向土卫六（Titan）释放了行星探测器惠更斯号，欧洲VLBI联合研究所（JIVE）组织全球可以观测到惠更斯在Titan大气中下落过程的15个VLBI台站进行了观测（上海天文台的射电望远镜也参加了观测），VLBI的数据处理结果实现了惠更斯探测器在大气中及在Titan表面位置的精密测量。日本最近发射的月亮女神也计划利用VLBI技术应用于子卫星的轨道观测，开展月球重力场的研究等。

我国VLBI的发展及其在嫦娥一号工程中的应用

　　1970年代，中国科学院上海天文台的叶叔华院士，根据国际上VLBI发展的信息认为，VLBI技术将对天文学研究具有重要作用，提出了建立中国VLBI网的建议，得到了中国科学院和天文界专家的支持。

　　1979年上海天文台实验VLBI系统研制成功，1981年6米天线的VLBI实验系统与前西德100米天线在21厘米波段进行VLBI测量获得成功。

　　1980年代后期，上海天文台在上海佘山建成了我国第一个25米口径射电望远镜VLBI观测站和相关处理机系统。佘山站建成后，即参加了多项国际合作计划。1993年12月，乌鲁木齐南山站25米天线建成，1994年10月乌鲁木齐南山站揭幕。目前我国上海天文台和国家天文台乌鲁木齐天文站的两架25米射电望远镜一起成为国际VLBI网的正式成员，如用于测地学和天体测量学的国际VLBI服务网（International VLBI Service for Geodesy and Astrometry, 简称IVS），和用于天体物理研究为主的欧洲甚长基线干涉测量网（EVN）。技术上保持与国际同步发展，有关设备不断更新和升级，如VLBI记录终端经历了MK2，MK3，MK4到现在的MK5等等,提高了VLBI观测的灵敏度，使我国继续活跃在国际VLBI研究领域。

　　我国嫦娥一号绕月探测工程确定中国科学院的VLBI测量系统参加探月卫星的测轨任务，作为测控系统的VLBI测轨分系统。由于地面应用系统的需要，2006年国家天文台分别在北京和昆明建造了口径为50米和40米的射电望远镜，这两台射电望远镜同时参加VLBI对嫦娥一号卫星的测轨工作，VLBI测轨分系统需要为这两台射电望远镜配备VLBI接收和数据记录终端及时频系统。这样嫦娥一号测控系统VLBI测轨分系统由4个VLBI观测站加上设在上海天文台的VLBI数据处理中心组成。

　　测轨任务要求VLBI测轨分系统参加卫星在调相轨道、地月转移轨道、月球捕获轨道及环月轨道段的测量，在前面三个轨道段的测量过程中，将VLBI测量的时延、时延率和测角数据准实时送往北京航天指挥控制中心，并参加这些轨道段的轨道确定等工作。这些任务的要求与一般的天文观测有较大的差别，一般的天文观测都是事后进行数据处理的，而嫦娥一号工程要求对数据进行准实时处理。另一方面嫦娥一号卫星是在有限距离上运动的目标，在数据的相关处理及后处理过程中有特别的要求。

　　为了保证完成VLBI的测量任务，VLBI测轨分系统的科研人员通过艰苦的努力克服了各种困难，完成了观测台站的设备研制和升级工作，成功研制了硬件相关处理机和软件相关处理机，并发展了适用于工程要求的大量软件，完成了VLBI数据处理中心的建设。几年来通过大量的试验观测，不断完善系统的可靠性和准确性。

　　2007年10月24日18时05分，搭载着我国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火发射升空。VLBI测轨分系统，包括上海VLBI中心和四个VLBI台站（上海佘山站、北京密云站、云南昆明站、乌鲁木齐站），自2007年10月27日开始正式执行任务。截至2007年11月30日，中科院VLBI测量系统已正式参与嫦娥一号测轨任务共35天。

　　10月27日开始，嫦娥一号卫星先后经历三个24小时调相轨道段、一个48小时调相轨道段和一个地月转移轨道段。其中，由于前期轨道控制精准，只进行了一次中途修正，取消了原定的另外两次中途修正，直飞月球捕获点。2007年11月5日11时15分，嫦娥一号卫星首次飞达近月点，顺利实施第一次近月制动，卫星成功被月球捕获，进入周期为12小时，近月点210公里、远月点860公里的月球极轨椭圆轨道，标志着嫦娥一号已经成为一颗绕月卫星；11月6日，成功实施第二次近月制动，嫦娥一号卫星进入周期为3.5小时的环月轨道；11月7日，成功实施了第三次制动，嫦娥一号最终进入距月球表面200公里、周期为127分钟的近月圆轨道。在上述飞行阶段，中国科学院的VLBI测轨分系统为测控系统提供高精度的时延、时延率和测角数据，并参与完成各轨道段的准实时轨道确定与预报，为确保嫦娥一号卫星送入预定环月轨道做出了贡献。

　　VLBI测轨分系统将继续努力提高环月阶段的数据质量，与我国的航天测控网一起为全面完成嫦娥一号的科学目标提供更好的轨道数据。中国科学院的VLBI天文测量系统首次将VLBI技术成功地用于我国的航天工程，并将进一步总结经验，提高我国VLBI测量网的各种性能，为二期探月工程和我国其他的深空探测任务做出贡献。